[0001] Die Erfindung betrifft einen Driftröhrenbeschleuniger zur Beschleunigung von Ionenpaketen
in Ionenstrahlbeschleunigungsanlagen. Der Driftröhrenbeschleuniger ist vom IH-Typ
und weist ein Gehäuse aus einem längsgeteilten dreiteiligen Vakuumtank auf. Dieser
Vakuumtank besteht aus einem Mittelstück, einer unteren Halbschale und einer oberen
Halbschale. Das Mittelstück besitzt auf seiner ionenstrahlführenden Längsachse eine
Eintrittsöffnung und eine Austrittsöffnung für die Ionenpakete. Ferner hat das Mittelstück
auf seinen gegenüberliegenden Innenwänden Längsrippen, die parallel zur Längsachse
ausgerichtet sind. An den Längsrippen sind alternierend Driftrohrhalter angeordnet,
welche ihrerseits Driftrohrstücke koaxial zur ionenstrahlführenden Längsachse halten.
Das Mittelstück mit den Driftrohrhaltern ist abnehmbar auf der unteren Halbschale
montiert und wird von der oberen Halbschale abnehmbar bedeckt.
[0002] Ein derartiger IH-Driftröhrenbeschleuniger ist aus der Druckschrift
U. Ratzinger, "IH-Structure and its capability to accelerate high current beams",
Proceedings of the High IEEE Particle Accelerator Conference (PAC91), San Francisco,
1991 (IEEE Service Center Piscataway, N.J., 1991) Seiten 567 bis 571, bekannt. Derartige Driftröhrenbeschleuniger aus einem Mittelstück und einer oberen
und einer unteren Halbschale mit einem halbzylindrischen Querschnitt der beiden Halbschalen
haben den Nachteil, dass der Tank in der Ebene des Mittelstücks beim Evakuieren aufgrund
der radial nach innen wirkenden Kräfte, die beim Evakuieren des Tanks durch die Druckdifferenz
zwischen Umgebung und Tankinnerem verursacht werden, um bis zu mehreren Millimetern
in seinem Durchmesser schrumpft, wenn die Innenhöhe des Vakuumtanks größer ist als
der innere Abstand der Innenwände des Mittelstücks, zumal wenn ein großes Länge zu
Durchmesser Verhältnis bei derartigen Vakuumtanks für IH-Driftröhrenbeschleuniger
vorliegt. Dies verursacht eine Fehljustage der von den gegenüberliegenden Längsrippen
des Mittelrahmens gehaltenen Driftrohrhaltern und der von diesen gehaltenen Driftrohrstücken
gegeneinander und gegenüber der ionenstrahlführenden Längsachse des Mittelstücks.
[0003] Um dieses Schrumpfen des Tankdurchmessers in der Ebene des Mittelrahmens und die
dadurch verursachte Fehljustage der Driftrohrstücke zu verringern werden die Mittelstücke
dieser IH-Driftröhrenbeschleuniger herkömmlicher Bauart durch einen äußeren Stützrahmen
formstabil gehalten. Derartige kostenintensive Stützrahmen erfordern eine aufwendige
Montage und Demontage der Kavität in dem Stützrahmen, wobei der Stützrahmen selbst
wiederum eine Fehlerquelle darstellt, die ebenfalls zu einer Fehljustage der Driftröhrenstruktur
führen kann, wenn der Mittelrahmen nicht exakt genug in dem Stützrahmen gehalten wird.
[0004] Ein weiteres Problem bei derartigen IH-Driftröhrenbeschleunigern stellt das Einbringen
zusätzlicher Abstimmkörper dar, was insbesondere bei einer im Verhältnis zu ihrem
Durchmesser sehr langen Driftröhrenbeschleunigerkavität zur Erzielung der erforderlichen
elektrischen Feldverteilung entlang der ionenstrahlführenden Längsachse notwendig
sein kann. Beim Einbringen zusätzlicher Abstimmkörper in herkömmliche Halbschalen
ist ein ausreichender Hochfrequenz- und Wärmekontakt zwischen den einzubringenden
Körpern und den Halbschalen bei einem halbzylindrischen Querschnitt der Halbschalen
nur schwer erreichbar. Da die Hochfrequenzleistungsverluste an den inneren Tankoberflächen
auftreten, würden die eingebrachten Körper aufgrund des schlechten Wärmekontaktes
stark erhitzt werden. Dies kann sowohl zu einer elektrischen Verstimmung der Kavität
während des Betriebs als auch zu Schäden an der Kavität aufgrund thermischer Spannungen
und Überhitzung führen.
[0005] Teilweise werden derartige IH-Driftröhrenbeschleuniger mit bis zu zwei integrierten
magnetischen Quadrupol-Triplettlinsen zur transversalen Fokussierung der Ionenstrahlen
ausgestattet, wobei die Stützen dieser Quadrupol-Triplettlinsen nicht von dem Vakuumtank
getragen werden, sondern über Membranbälge aus dem Vakuumtank herausgeführt und in
einem äußeren Tankuntergestell abgestützt werden, so dass bereits beim Evakuieren
des Vakuumtankes durch die dabei auftretenden Evakuierungskräfte Fehljustagen auftreten
können. Ferner ist eine derartige Abstützung der eingebrachten Quadrupol-Triplettlinsen
auf einem äußeren Tankuntergestell sehr kostenintensiv und erfordert eine aufwendige
Montage.
[0006] Ein weiterer Nachteil herkömmlicher IH-Driftröhrenbeschleuniger ergibt sich bei einer
sehr starken Zunahme der Ionengeschwindigkeit entlang des Driftröhrenbeschleunigers,
wodurch bei konstanter Betriebsfrequenz des Driftröhrenbeschleunigers und gleichbleibender
Spaltgeometrie eine starke Abnahme der auf die Längeneinheit bezogenen Kapazität der
Driftröhrenstruktur entlang des Beschleunigers verursacht wird. Bei der Beschleunigung
von Ionen nimmt nämlich die Ionengeschwindigkeit entlang des Driftröhrenbeschleunigers
stetig zu. Der Mittenabstand zwischen benachbarten Driftrohrstücken wächst deshalb
ebenfalls entlang des Beschleunigers an, was bei einer gleichbleibenden Geometrie
der Beschleunigungsspalte zwischen den Driftrohrstücken zu einer erheblichen Abnahme
der auf die Längeneinheit bezogenen Kapazität der Driftröhrenstruktur führt.
[0007] Soll nun eine einzelne Driftröhrenbeschleunigerkavität zur Abdeckung eines sehr großen
Zuwachses der Ionengeschwindigkeit verwendet werden, so besteht das Problem diese
Abnahme der auf die Längeneinheit bezogenen Kapazität der Driftröhrenstruktur zu kompensiert,
um die Grundmode der Kavität anregen zu können. Dieses Problem konnte bei herkömmlichen
IH-Driftröhrenbeschleunigern bisher nicht innerhalb einer einzelnen Driftröhrenbeschleunigerkavität
gelöst werden, vielmehr werden bisher zur Abdeckung eines sehr großen Zuwachses der
Ionengeschwindigkeit mehrere Driftröhrenbeschleunigerkavitäten hintereinander gereiht,
was sehr aufwendig und sehr kostenintensiv ist.
[0008] Aufgabe der Erfindung ist es, einen Driftröhrenbeschleuniger zur Beschleunigung von
Ionenpaketen anzugeben mit dem die oben angegebnen Probleme gelöst werden können und
die Nachteile von bekannten Driftröhrenbeschleunigern überwunden werden und ihre Einsatzbereiche
und Randparameter erweitert werden. Ferner ist es Aufgabe der Erfindung die Investitionskosten
eines Driftröhrenbeschleunigers zu vermindern und seine Wirtschaftlichkeit zu erhöhen.
[0009] Diese Aufgabe wird mit dem Gegenstand des unabhängigen Anspruchs gelöst. Vorteilhafte
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
[0010] Erfindungsgemäß ist der oben beschriebene Driftröhrenbeschleuniger dadurch gekennzeichnet,
dass die untere Halbschale einen strukturierten unteren Stahlblock aufweist, der einen
teilweise ebenen Innenboden besitzt, auf dem vorzugsweise Fokussiereinrichtungen,
Vakuumdurchführungen und/oder Abstimmelemente vorgesehen werden können. Ferner ist
die Erfindung dadurch gekennzeichnet, dass die obere Halbschale einen strukturierten
oberen Stahlblock aufweist, der eine teilweise ebene innere Abdeckfläche vorzugsweise
mit Öffnungen für Vakuumdurchführungen aufweist, wobei auf den ebenen Bereichen der
Abdeckfläche Abstimmelemente vorgesehen werden können.
Die erfindungsgemäße Lösung hat den Vorteil, dass auf einen Stützrahmen verzichtet
werden kann, weil der erfindungsgemäße Driftröhrenbeschleuniger aufgrund der strukturierten
oberen und unteren massiven Stahlblöcke, welche die konventionellen Halbschalen ersetzten,
eine Eigenstabilität besitzt, welche einen äußeren Stützrahmen entbehrlich machen
und eine Fehljustage der Driftrohrstücke gegeneinander und gegenüber der ionenstrahlführenden
Längsachse des Mittelstücks sicher verhindern. Darüber hinaus hat der erfindungsgemäße
Driftröhrenbeschleuniger den Vorteil, dass der strukturierte untere Stahlblock einen
teilweise ebenen Innenboden aufweist, auf dem zusätzliche den Ionenstrahl beeinflussende
Komponenten innerhalb der Kavität des Vakuumtanks vorteilhaft fixiert werden können,
so dass Fehljustagen, die bisher zwischen den von dem äußeren Untergestell getragenen
Komponenten wie Triplettlinsen und den von den Innenwänden der Kavität gehaltenen
Komponenten wie Driftrohrstücken nicht mehr auftreten können, da sämtliche in der
Kavität des Vakuumtanks angeordnete Zusatzkomponenten, wie Fokussiereinrichtungen
und Abstimmelemente auf ebenen Teilstücken des Innenbodens angeordnet und abgestützt
werden können.
[0011] In einer Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der Vakuumtank mindestens
2 innere Bereiche aufweist, in denen die Driftrohre mit alternierend angeordneten
Driftrohrhaltern angeordnet sind, wobei zwischen den Bereichen jeweils ein spezielles
Driftrohr enthaltend eine Fokussiereinrichtung zur transversalen Fokussierung der
Ionenstrahlen stehend auf dem teilweise ebenen Innenboden des unteren strukturierten
Stahlblockes derart angeordnet ist, dass es die Längsachse des Mittelstücks umschließt.
Diese Ausführungsform der Erfindung hat den Vorteil, dass Nachjustagen der mindestens
einen Fokussiereinrichtung weitestgehend vermieden werden, da die Fokussiereinrichtung
nicht auf einem von der Driftrohranordnung unabhängigen äußeren Tankuntergestell gehalten
wird, sondern sich innerhalb der Kavität des Driftröhrenbeschleunigers auf einem ebenen
Abschnitt des Innenbodens eines strukturierten massiven unteren Stahlblocks abstützt,
der die bekannte untere Halbschale in vorteilhafterweise ersetzt.
[0012] In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass
als Fokussiereinrichtungen Quadrupolmagnete enthalten sind, die als Singuletts oder
als Multipletts in den speziellen Driftrohren angeordnet sind. Diese Ausführungsform
der Erfindung hat den Vorteil, dass bewährte Komponenten magnetischer Linsen zum Einsatz
kommen.
[0013] Ferner ist erfindungsgemäß für eine weitere Ausführungsform vorgesehen, dass der
strukturierte untere Stahlblock oder der strukturierte obere Stahlblock oder der strukturierte
untere und obere Stahlblock entlang der Fokussiereinrichtungen einen veränderten Querschnitt
aufweisen als entlang der Bereiche, in denen die Driftrohre mit alternierend angeordneten
Driftrohrhaltern angeordnet sind. Diese Anpassung des Querschnitts der Kavität im
Bereich der Fokussiereinrichtungen hat den Vorteil einer Teilkompensation des Stützenvolumens,
ohne dass die elektrische Feldverteilung entlang der Längsachse des Driftröhrenbeschleunigers
verstimmt wird.
[0014] In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass die Driftrohre
mit alternierend angeordneten Driftrohrhaltern mit in Strahlrichtung zunehmenden Mittenabständen
angeordnet sind. Damit wird vorteilhaft die zunehmende Geschwindigkeit der Ionenpakete
beim Durchlaufen durch den Driftröhrenbeschleuniger berücksichtigt.
Weiterhin ist es vorgesehen, dass der strukturierte untere Stahlblock oder der strukturierte
obere Stahlblock oder der strukturierte untere und der obere Stahlblock Kavitäten
aufweisen, die den Querschnitt des Vakuumtanks in bestimmten Abschnitten erweitern.
Damit ist der Vorteil verbunden, dass die Abnahme der auf die Längeneinheit bezogenen
Kapazität der Driftröhrenstruktur weitestgehend und fertigungstechnisch kostengünstig
kompensiert werden kann und bei Fehlanpassungen eine kostengünstige Nachbearbeitung
möglich ist, um die Grundmode der Kavität anregen zu können.
[0015] In einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist es ferner vorgesehen, dass
der strukturierte untere Stahlblock oder der strukturierte obere Stahlblock oder der
strukturierte untere und der obere Stahlblock Kavitäten aufweisen, die den Querschnitt
des Vakuumtanks in bestimmten Abschnitten stufenweise erweitern. Eine stufenweise
Erweiterung des Kavitätsquerschnittes hat den Vorteil, dass sie fertigungstechnisch
in die massiven unteren und oberen Stahlblöcke kostengünstig eingearbeitet werden
kann und bei Fehlanpassungen eine kostengünstige Nachbearbeitung möglich ist, um eine
sehr starke Abnahme der auf die Längeneinheit bezogenen Kapazität der Driftröhrenstruktur
kostengünstig zu kompensieren, und um die Grundmode der Kavität anregen zu können.
[0016] Weiterhin ist es möglich dass auf dem teilweise ebenen Innenboden des strukturierten
unteren Stahlblocks oder auf der teilweise ebenen inneren Abdeckfläche des strukturierten
oberen Stahlblocks oder auf dem teilweise ebenen Innenboden des strukturierten unteren
Stahlblocks und auf der teilweise ebenen inneren Abdeckfläche des strukturierten oberen
Stahlblocks zusätzliche Abstimmelemente angeordnet sind. Damit ist der Vorteil verbunden,
dass auf den ebenen Innenflächen des Vakuumtanks ein sehr guter Hochfrequenz- und
Wärmekontakt zwischen den Abstimmelementen bzw. den Abstimmkörpern und den wassergekühlten
massiven Halbschalen erreicht werden kann und dadurch auch die Abstimmelemente ausreichend
gekühlt werden, wodurch Schäden an der Kavität aufgrund thermischer Spannungen und
Überhitzung vermieden werden.
[0017] In einer bevorzugten Weiterbildung der Erfindung ist es vorgesehen, dass die alternierend
angeordneten Driftrohrhalter in Längsnuten parallel zur Längsachse in den Längsrippen
des Mittelstücks geführt werden. Eine derartige Längsnut erhöht die präzise Ausrichtung
der Driftrohrstücke koaxial zur Strahlrichtung und lässt eine Feinanpassung des Mittenabstandes
der Driftrohrstücke an die zunehmende Gewindigkeit der beschleunigten Ionenpakete
durch Verschieben der Driftrohrhalter in den Längsnuten zu. Weiterhin ist vorgesehen,
dass die Längsrippen in Längsrichtung einen Kühlwasserkanal aufweisen. Dieser Kühlwasserkanal
hat den Vorteil, dass er unmittelbar die Längsrippe, an der die Driftrohrhalter befestigt
sind, kühlt und somit Wärme unmittelbar von der Innenwand des Mittelstücks abführen
kann.
[0018] Weiterhin ist es von Vorteil, wenn das Mittelstück in den Stirnseiten weitere Kühlwasserkanäle
aufweist, so dass die massive Wandung der Stirnseite des Mittelstücks ebenfalls zur
aktiven Wärmeabfuhr beitragen, und damit eine thermische Dejustage durch thermische
Verspannung der Komponenten des Driftröhrenbeschleunigers insbesondere der Eintrittsöffnung
und der Austrittsöffnung an den Stirnseiten nicht auftritt.
[0019] Bei einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der strukturierte
untere und der obere Stahlblock Kühlwasserführungen, die auf ihren Außenflächen angeordnet
sind, aufweisen. Derartige Kühlwasserführungen sind kostengünstig herzustellen und
außerdem betriebssicher, da sie außerhalb der Kavität angeordnet sind und der Außenform
der Stahlblöcke angepaßt werden können.
[0020] Für eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist es vorgesehen, dass der strukturierte
untere und der obere Stahlblock Mindestwandstärken von 10 mm aufweisen, wobei innerhalb
dieser Wandstärke Kühlwasserkanäle dort vorgesehen sind, wo sie in Bezug auf die Festigkeit
keine Schwachstellen verursachen.
[0021] Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, dass die Beschleunigung der Ionen von der
Injektionsenergie an der Eintrittsöffnung des Mittelstücks zu der Austrittssöffnung
von 400 keV/u auf 7 MeV/u beschleunigt werden. Dazu weist der IH-Driftröhrenbeschleuniger
der vorliegenden Erfindung eine Länge von 3,77 m auf. Die Geschwindigkeit der Ionen
wächst bei deren Beschleunigung in dem IH-Driftröhrenbeschleuniger der vorliegenden
Erfindung von etwa 2,9% der Lichtgeschwindigkeit auf etwa 12,2% der Lichtgeschwindigkeit
an. Analog nimmt auch die Schrittweite beziehungsweise der Mittenabstand der Driftrohre
bzw. der Driftrohrstücke entlang des IH-Beschleunigers etwa um einen Faktor 4 zu.
[0022] Darüber hinaus ist in dem erfindungsgemäßen IH-Driftröhrenbeschleuniger eine Kompensation
der Abnahme der auf die Längeneinheit bezogenen Kapazität der Driftröhrenstruktur
in einer Ausführungsform der Erfindung vorgesehen. Dazu weisen der strukturierte untere
und der obere Stahlblock Kavitäten in den einzelnen Bereichen auf, bei denen der Querschnitt
des Vakuumtanks in bestimmten Abschnitten erweitert ist. Somit wird die Abnahme der
auf die Längeneinheit bezogenen Kapazität der Driftröhrenstruktur durch den sich erweiternden
Querschnitt kompensiert, wodurch in vorteilhafter Weise die Grundmode der Kavität
angeregt werden kann.
[0023] Der Vakuumtank weist in einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung vier innere
Bereiche auf, in denen die Driftrohrstücke mit in Strahlrichtung zunehmender Schrittweite
angeordnet sind, wobei zwischen den Bereichen drei Triplettlinsen zur Fokussierung
der Ionenstrahlen von Bereich zu Bereich stehend auf den ebenen Abschnitten des Innenbodens
des strukturierten unteren Stahlblocks derart angeordnet sind, dass sie die Längsachse
des Mittelstücks umschließen.
[0024] Der erfindungsgemäß Einsatz von nur einer Driftröhrenbeschleunigerkavität für vier
innere Beschleunigungsbereiche, insbesondere bei der für Ionenbeschleuniger vergleichsweise
hohen Betriebsfrequenz von etwa 217 MHz führt im Vergleich zu herkömmlichen Anlagen
zu einer sehr langen Kavität im Verhältnis zum Innendurchmesser. Bei einer Ausführungsform
des erfindungsgemäßen IH-Driftröhrenbeschleunigers beträgt die Innenhöhe der IH-Kavität
nur 340 mm, während die Innenlänge mit 3718 mm ein Verhältnis von Innenhöhe zu Innenlänge
von etwa 1:11 darstellt. Dieses Verhältnis der Innenmaße würde die HF-Abstimmung der
Kavität erheblich erschweren, wenn mit herkömmlichen Bautypen gearbeitet wird.
[0025] Es kann jedoch die HF-Abstimmung der Kavität durch die anpassbare mechanische Konstruktion
des erfindungsgemäßen Driftröhrenbeschleunigers erheblich erleichtert werden. Durch
das Vorsehen eines teilweise ebenen Innenbodens ist es möglich, auf einfache Weise
eine Integration von Abstimmelementen bereits während der Herstellung der Kavität
und auch zum nachträglichen Einbau von Abstimmkörpern vorzusehen. So ist erfindungsgemäß
vorgesehen, dass der strukturierte untere und obere Stahlblock in einer bevorzugten
Ausführungsform der Erfindung Kavitäten aufweisen, die den Querschnitt des Vakuumtanks
in bestimmten Abschnitten stufenweise für die einzelnen Bereiche erweitern.
[0026] Somit wird eine Hochfrequenzkavität für eine Resonanzfrequenz von etwa 217 MHz erreicht,
die eine geschätzte Güte des Resonators von 12000 bis 15000 aufweist. Die Kavität
selbst wird im Pulsbetrieb mit einer HF-Pulsdauer von 0,5 ms und einer Pulswiederholrate
von 10 Hz betrieben, was einem Tastverhältnis von maximal etwa 0,5% entspricht. Der
geschätzte HF-Pulsleistungsbedarf in Form von Verlustleistung der Kavität beträgt
ca. 1,0 bis 1,1 MW, was in einer mittleren thermischen Leistungsaufnahme von maximal
etwa 5 bis 6 kW resultiert. Die dabei an den Tank abgegebene thermische Energie wird
durch eine effektive Wasserkühlung einerseits der Längsrippen in dem Mittelteil und
andererseits der äußeren Oberflächen der strukturierten oberen und unteren Stahlblöcke
erreicht.
[0027] Der Vakuumtank besteht aus drei Hauptteilen, die alle drei somit wassergekühlt sind,
nämlich dem Mittelstück und den unteren und oberen Halbschalen in Form von strukturierten
unteren und oberen Stahlblöcken. Das Mittelstück trägt die Driftröhrenstruktur mit
beispielsweise zweiundfünfzig Driftrohrstücken mit jeweils individueller Länge. Die
Driftrohrstücke sind in den oben erwähnten vier Bereichen angeordnet. Diese vier Driftröhrenbereiche
werden durch drei integrierte Quadropol-Triplettlinsen miteinander gekoppelt. In jedem
der Bereiche wird ein anderer Driftröhrentyp eingesetzt. Die einzelnen Driftröhrentypen
unterscheiden sich in ihren Durchmessern. Die Driftröhren werden von Driftröhrenhaltern
getragen, die mit den Driftröhren verlötet sind.
[0028] Die Driftröhrenhalter mit den angelöteten Driftröhren sind nicht direkt wassergekühlt,
sondern sie werden in eine Längsnut der wassergekühlten Längsrippe des Mittelteils
eingebracht. Somit sind sie über die Wärmeleitung des wassergekühlten Mittelrahmens
gekühlt und sind zur Erhöhung der Wärmeleitfähigkeit aus SE-Kupfer gefertigt. Die
Driftröhrenhalter werden in die Längsrippen des Mittelrahmens in einer Längsnut angeordnet
und fixiert. Der Mittelrahmen mit der Driftröhrenstruktur bildet eine horizontale
Ebene und ist Teil des Mittelstückes. Die untere und obere Tankhalbschale wird erfindungsgemäß
durch strukturierte obere und untere Stahlblöcke realisiert, die aus massiven Stahlblöcken
gefertigt sind. Zur Kühlung dieser beiden strukturierten Stahlblöcke können Kühlkanäle
von 270 mm Breite und 4 mm Höhe auf den Außenseiten der strukturierten Stahlblöcke
angeordnet werden.
[0029] Die Innenseiten der Stahlblöcke weisen plane Ausfräsungen auf. Diese planen Ausfräsungen
haben unterschiedliche Tiefen in den unterschiedlichen vier Beschleunigungsbereichen,
so dass der Querschnitt stufenweise an die auf die Längeneinheit bezogene Kapazität
der Driftröhrenstruktur angepasst ist. Zumindest wird damit eine Teilkompensation
der Abnahme der auf die Längeneinheit bezogenen Kapazität der Driftröhrenstruktur
entlang der IH-Kavität erreicht.
[0030] An die untere Tankhalbschale und auf den ebenen Abschnitten des Innenbodens sind
die oben erwähnten drei großen Fokussiereinrichtungen angeflanscht, die jeweils eine
magnetische Quadropol-Triplettlinse enthalten. Entlang dieser Triplettlinsen weist
der untere strukturierte Stahlblock einen angepassten Querschnitt zur Teilkompensation
des für die Ausrichtung der Triplettlinsen erforderlichen Abstützung auf dem Innenboden
auf.
[0031] Zusammenfassend ergeben sich die nachfolgenden Vorteile der Erfindung.
- 1. Wegen der mechanisch sehr steifen Konstruktion der Tankhalbschalen in Form von
oberen und unteren strukturierten massiven Stahlblöcken und einem annähernd quadratischen
Querschnitt der Kavität kann auf aufwendige äußere Stützrahmen zur Kompensation von
Evakuierungskräften verzichtet werden.
- 2. Eine Teilkompensation der Abnahme der auf die Längeneinheit bezogenen Kapazität
der Driftröhrenstruktur entlang der IH-Kavität kann durch die Änderung der Querschnittsfläche
der Kavität kompensiert werden, indem ein spezielles Längsprofil in die strukturierten
oberen und unteren Stahlblöcke eingearbeitet wird. Dieses kann fertigungstechnisch
kostengünstig realisiert werden.
- 3. Eine nachträgliche Korrektur der Feldverteilung der IH-Kavität wird durch den erfindungsgemäßen
Aufbau vereinfacht. Zum einen kann die Kontur der Halbschalen durch Nachfräsen der
strukturierten Stahlblöcke optimiert werden und zum anderen können zur Feinabstimmung
nachträglich Abstimmblöcke auf den ebenen inneren Oberflächen der massiven strukturierten
Stahlblöcke eingebracht werden. Die planen Kontaktflächen bieten dabei einen sehr
guten Hochfrequenz- und Wärmekontakt, der bei herkömmlichen halbzylindrischen oberen
und unteren Halbschalen Probleme bereitet.
- 4. Wegen der mechanisch sehr steifen Konstruktion der strukturierten unteren und oberen
Stahlblöcke können die magnetischen Quadropol-Triplettlinsen direkt in die Mitte der
Stahlblöcke eingeschraubt werden und benötigen keine externen Stützen und keine externen
Justagevorrichtungen.
- 5. Eine nachträgliche Korrektur der Triplettachse ist durch eine mechanische Nachbearbeitung
einer zusätzlich eingefügten planen Abstimmplatte möglich, wobei eine Genauigkeit
von wenigen Mikrometern erreicht werden kann. Dieses ist technisch eine einfachere
und preiswertere Lösung als im Stand der Technik, bei der eine Linsenaufhängung außerhalb
des Vakuumtankes in dem Tankuntergestell realisiert wird.
- 6. Eine verbesserte Genauigkeit kann bei der Justage der Triplettlinsen erreicht werden.
Die maximale Abweichung der Triplettachse zur Strahlachse ist mit 0,05 mm entlang
der gesamten Triplettlänge mit Hilfe der erfindungsgemäßen Konstruktion erreichbar.
- 7. Schließlich kann die Kavität beliebig oft geöffnet werden, indem der strukturierte
obere Stahlblock abgenommen wird, ohne dass eine aufwendige Nachjustage der Triplettlinsen
erforderlich ist.
[0032] Die Erfindung löst mit ihrem stabilen Aufbau auch das Problem der bisher nicht erreichten
sehr starken Zunahme der Ionengeschwindigkeit um etwa einen Faktor 4 innerhalb einer
Kavität, zumal es bisher nicht gelungen ist, ein vergleichbar großes Verhältnis zwischen
Tankinnenlänge zu Innendurchmesser zu realisieren. Für einen derart hohen Zuwachs
der Ionengeschwindigkeit sind bisher bei den bekannten Driftröhrenbeschleunigern immer
mehrere Kavitäten erforderlich, die jeweils eine über die gesamte Länge der Kavität
konstante Querschnittsfläche aufweisen.
[0033] Außerdem vermeidet der erfindungsgemäße IH-Driftröhrenbeschleuniger erhebliche Mehrkosten,
die mit der bisher üblichen Aufteilung in mehrere Kavitäten verbunden waren. Darüber
hinaus vereinfacht die Verwendung nur einer Kavität den Betrieb der Anlage und macht
diese zuverlässiger, da einerseits weniger Parameter kontrolliert und eingestellt
werden müssen und andererseits die Anzahl der einzusetzenden Zusatzgeräte minimiert
wird, was die Ausfallwahrscheinlichkeit der gesamten Anlage verringert. Auch eine
Betriebsfrequenz über 200 MHz konnte für IH-Driftröhrenbeschleuniger mit integrierten
Quadrupol-Triplettlinsen nach dem Stand der Technik bisher nicht realisiert werden.
[0034] Der erfindungsgemäße Aufbau eines IH-Driftröhrenbeschleunigers mit diesen oben erwähnten
neuartigen und vorteilhaften Eigenschaften - insbesondere der Verwendung nur einer
Kavität zur Beschleunigung über einen vergleichsweise großen Energiebereich - sowie
die Lösung der speziell damit verbundenen Probleme - insbesondere die Teilkompensation
der Abnahme der auf die Längeneinheit bezogenen Kapazität der Driftröhrenstruktur
entlang der IH-Kavität durch die stufenweise Veränderung des Tankquerschnitts, die
platzsparende und mechanisch steife Integration äußerst kompakter Triplettlinsen sowie
die einfache Möglichkeit der Montage zusätzlicher Abstimmkörper auf den planen Innenflächen
der strukturierten oberen und unteren Stahlblöcke - wird durch die neu entwickelte
Konstruktion der Tankhalbschalen aus massiven Stahlblöcken erheblich erleichtert.
[0035] Die Erfindung wird nun anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.
- Fig. 1
- zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Driftröhrenbeschleunigers gemäß
einer Ausführungsform der Erfindung,
- Fig. 2
- zeigt eine teilweise aufgeschnittene schematische Draufsicht auf das Mittelstück des
Driftröhrenbeschleunigers gemäß Fig. 1,
- Fig. 3
- zeigt eine schematische Untersicht auf den strukturierten unteren Stahlblock des Driftröhrenbeschleunigers,
gemäß Fig. 1,
- Fig. 4
- zeigt einen schematischen Längsschnitt durch den Driftröhrenbeschleuniger, gemäß Fig.
1,
- Fig. 5
- zeigt eine schematische Draufsicht auf den strukturierten oberen Stahlblock des Driftröhrenbeschleunigers,
gemäß Fig. 1,
- Fig. 6
- zeigt einen schematischen Querschnitt eines Übergangs von dem strukturierten oberen
Stahlblock auf das Mittelstück des Driftröhrenbeschleunigers, gemäß Fig. 1,
- Fig. 7
- zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Driftröhrenbeschleuniger, gemäß Fig.
1 im Bereich eines Driftrohrhalters,
- Fig. 8
- zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Driftröhrenbeschleuniger 1, gemäß
Fig. 1 im Bereich einer Fokussiereinrichtung,
- Fig. 9
- zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Driftröhrenbeschleunigers gemäß
Fig. 1 im Bereich einer Fokussiereinrichtung,
- Fig. 10
- zeigt einen schematischen Längsschnitt durch eine Fokussiereinrichtung des Driftröhrenbeschleunigers,
gemäß Fig. 1,
- Fig. 11
- zeigt einen schematischen Längsschnitt durch das Mittelstück im Bereich der Fokussiereinrichtung
der Fig. 10.
[0036] Fig. 1 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Driftröhrenbeschleunigers
1, gemäß einer Ausführungsform der Erfindung. Der Driftröhrenbeschleuniger ist in
einem Gehäuse 2, das als Vakuumtank 3 ausgebildet ist, untergebracht. Dieses Gehäuse
2 weist ein Mittelstück 4 mit einem Mittelrahmen auf, wobei das Mittelstück 4 auf
einer unteren Halbschale 5 aus einem strukturierten unteren massiven Stahlblock 15
vakuumdicht aufgeschraubt ist. Eine obere Halbschale 6 weist einen strukturierten
oberen massiven Stahlblock 19 auf, der eine teilweise ebene innere Abdeckfläche 20
aufweist, und der auf das Mittelstück 4 zum Abdecken der Kavität des Driftröhrenbeschleunigers
1 abnehmbar aufgeschraubt ist.
[0037] Vor dem Aufschrauben des strukturierten oberen Stahlblockes 19 auf das Mittelstück
4 werden die einzelnen Driftröhrenkomponenten in der langgestreckten Kavität von etwa
3770 mm untergebracht. Dazu weist das Gehäuse 2 vier Beschleunigungsbereiche 24, 25,
26 und 27 auf. Zwischen den Beschleunigungsbereichen 24, 25, 26 und 27 sind Fokussiereinrichtungen
17 angeordnet, wobei diese Fokussiereinrichtungen 17 aus Quadropol-Triplettlinsen
28, 29 und 30 bestehen. Diese Triplettlinsen umschließen die Längsachse 7, in der
die Ionenstrahlpakete durch das Mittelstück in Strahlrichtung 23 hindurchgeschossen
und beschleunigt werden.
[0038] Da bei dem Durchgang durch den Resonator die Ionen von 2,9% bis etwa 12,2% der Lichtgeschwindigkeit
beschleunigt werden, nimmt die Schrittweite zwischen einzelnen Driftrohrstücken 14
entlang des IH-Driftröhrenbeschleunigers 1 etwa um den Faktor 4 zu. Was Maßnahmen
zur Kompensation der Abnahme der auf die Längeneinheit bezogenen Kapazität der Driftröhrenstruktur
erfordert. Diese Maßnahmen, beispielsweise einer Querschnittanpassung der Kavität,
wird durch die Strukturierung des unteren und oberen massiven Stahlblocks 15 bzw.
19 realisiert.
[0039] Weitere Details der erfindungsgemäßen Ausführungsform nach Fig. 1 werden in den nachfolgenden
Figuren 2 bis 11 erläutert.
[0040] Fig. 2 zeigt eine teilweise aufgeschnittene schematische Draufsicht auf das Mittelstück
4 des Driftröhrenbeschleunigers 1, gemäß Fig. 1. Komponenten mit gleichen Funktionen,
wie in Fig. 1 werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
[0041] In dem nicht aufgeschnittenen Teil des Mittelstückes 4 ist die Anordnung der Resonanzkomponenten
des Driftröhrenbeschleunigers zu erkennen. Die Längen der Driftrohrstücke 14 nehmen
auch innerhalb der Beschleunigungsbereiche 24, 25, 26 und 27 zu. Diese Driftrohrstücke
14 werden von Driftrohrhaltern 13 derart gehalten, dass sie koaxial die Längsachse
7 des Mittelstücks 4 umschließen. Ferner sind die Driftrohrstücke 14 alternierend
mit ihren Driftrohrhaltern 13 an den einander gegenüberliegenden Innenwänden 10 des
Mittelstückes 4 befestigt. Dazu weisen die beiden Innenwände 10 des Mittelstückes
in jedem der vier Bereiche 24, 25, 26 und 27 eine Längsrippe 11 auf, die eine Längsnut
trägt, in der die Driftrohrhalter 13 mit in Strahlrichtung zunehmenden Mittenabstand
a befestigt sind. In den Bereichen der drei Triplettlinsen 28, 29 und 30 ist der Abstand
zwischen den Innenwänden 10 des Mittelstückes 4 geringfügig erweitert, um die Kapazität
zwischen den Innenwänden des Mittelstücks und den Triplettlinsen so einzustellen,
dass die erforderliche elektrische Feldverteilung entlang der ionenstrahlführenden
Längsachse des Driftröhrenbeschleunigers erreicht wird.
[0042] Fig. 3 zeigt eine schematische Untersicht auf den strukturierten unteren Stahlblock
15 des Driftröhrenbeschleunigers 1, gemäß Fig. 1, wobei auf dieser ebenen Unterfläche
des unteren Stahlblockes 15 Öffnungen 21 mit entsprechenden Vakuumflanschen 22 angeordnet
sind. Über die drei Vakuumdurchführungen 34, 35 und 36 in dem strukturierten unteren
Stahlblock 15 werden die in Fig. 2 gezeigten Triplettlinsen 24, 25 und 26 mit Strom
und Kühlwasser versorgt. Die übrigen Vakuumflansche dienen teilweise der Messtechnik
und teilweise der Versorgung des Resonators mit einem hochfrequenten Wechselstrom
in der Größenordnung von über 200 MHz.
[0043] Fig. 4 zeigt einen schematischen Längsschnitt durch den Driftröhrenbeschleuniger
1 gemäß Fig. 1. Mit diesem Längsschnitt wird die Eintrittsöffnung 8 und die Austrittsöffnung
9 im Bereich des Mittelstückes 4 gezeigt. Außerdem wird deutlich, dass der Querschnitt
der Kavität in den vier Beschleunigungsbereichen 24, 25, 26 und 27 stufenweise erweitert
ist, um die Abnahme der auf die Längeneinheit bezogenen Kapazität der Driftröhrenstruktur
zu kompensieren, so dass die Grundmode der Kavität angeregt werden kann.
[0044] Fig. 5 zeigt eine schematische Draufsicht auf den strukturierten oberen Stahlblock
19 des Driftröhrenbeschleunigers 1, gemäß Fig. 1. Komponenten mit gleichen Funktionen,
wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet
und nicht extra erörtert. Auch für diese Draufsicht gilt der Vorteil der Ebenheit
der Außenkontur des strukturierten oberen Stahlblockes 19, wodurch ein Anbringen von
Vakuumflanschen und Vakuumdurchführungen und das Anschweißen eines Kühlwasserkanals
erleichtert wird.
[0045] Fig. 6 zeigt einen schematischen Querschnitt eines Übergangs von dem strukturierten
oberen Stahlblock 19 auf das Mittelstück 4 des Driftröhrenbeschleunigers 1 gemäß Fig.
1. Diese Detailzeichnung Fig. 6 zeigt die intensive Kühlung der Längsrippe 11 durch
den Kühlwasserkanal 31, über den die Verlustwärme von den in der Längsnut 12 angeordneten
Driftrohrhaltern an das Mittelstück 4 abgegeben werden kann. Die Längsrippe 11 ist
auf die Innenwand 10 des Mittelstücks 4 unter Ausbilden des Kühlwasserkanals 31 geschweißt
und die Längsnut 12 wird nach dem Schweißen eingebracht, um Schweißspannungen und
Schweißverzerrungen auszugleichen.
[0046] Auch die Anordnung eines Kühlwasserkanals 33 auf der Außenfläche 32 des strukturierten
oberen Stahlblocks 19 ist hier nur beispielhaft dargestellt, in Form eines 4 mm hohen
und 240 mm breiten Kühlwasserkanals, der durch Aufschweißen eines äußeren Bleches
auf den strukturierten oberen Stahlblock 19 erreicht wird. Die Kühlwirkung kann weiter
intensiviert werden, indem sowohl das Mittelstück 4 als auch der strukturierte obere
Stahlblock 19 zusätzlich in das Material eingefräste Kühlwasserkanäle aufweisen.
[0047] Fig. 7 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Driftröhrenbeschleuniger 1,
gemäß Fig. 1 im Bereich eines Driftrohrhalters 13. Komponenten mit gleichen Funktionen,
wie in den vorhergehenden Figuren werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet
und nicht extra erörtert. In diesem Querschnitt sind relativ große Abpumpstutzen in
den oberen und unteren strukturierten Stahlblock 19 bzw. 15 eingearbeitet, um die
Kavität des Driftröhrenbeschleunigers auf 10
-5 Pascal zu evakuieren. Zur Halterung der Driftrohrstücke koaxial zur Längsachse 7
sind die Driftrohrhalter 13 in der Längsnut 12 der gekühlten Längsrippe 11 befestigt.
[0048] Fig. 8 zeigt einen schematischen Querschnitt durch den Driftröhrenbeschleuniger 1
gemäß Fig. 1 im Bereich einer Fokussiereinrichtung 17. Die Fokussiereinrichtung 17
steht auf dem ebenen Innenboden 16 des unteren strukturierten Stahlblockes 15, der
erfindungsgemäß die üblichen Halbschale ersetzt. Über die Vakuumdurchführung 18 wird
die Fokussiereinrichtung 17 einer Quadropol-Triplettlinse mit Strom und Kühlwasser
versorgt. Komponenten mit gleichen Funktionen wie in den vorhergehenden Figuren werden
mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert.
[0049] Fig. 9 zeigt eine schematische perspektivische Ansicht eines Driftröhrenbeschleunigers
1, gemäß Fig. 1 im Bereich einer Fokussiereinrichtung 17. Die Fokussiereinrichtung
17 in Form einer Triplettlinse ist in einem wassergekühlten Gehäuse 37 angeordnet.
Der Querschnitt der Kavität ist an die Größe der Triplettlinse angepasst, wobei die
Wandstärke des Mittelstücks 4 reduziert ist und die Grundfläche des Innenbodens 16
im Bereich der Fokussiereinrichtung 17 vergrößert ist.
[0050] Fig. 10 zeigt einen Längsschnitt durch eine Fokussiereinrichtung 17 des Driftröhrenbeschleunigers
1, gemäß Fig. 1. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren
werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Eine nachträgliche
Korrektur der Längsachse 7 ist durch eine mechanische Nachbearbeitung der hier eingefügten
Abstimmplatte 38 möglich, wobei eine Genauigkeit von wenigen Mikrometern erreicht
werden kann. Dieses ist möglich, weil ein ebener Innenboden 16 in dem unteren strukturierten
Stahlblock 15 für die Positionierung und Justage der Triplettlinsen in der vorliegenden
Erfindung vorgesehen ist. Außerdem ist es durch die Befestigung der Triplettlinsen
auf dem ebenen Innenboden 16 möglich, den oberen strukturierten Stahlblock 19 von
dem Mittelstück 4 abzuheben, ohne eine Nachjustage der Triplettlinse durchführen zu
müssen.
Fig. 11 zeigt einen Längsschnitt durch das Mittelstück 4 im Bereich der Fokussiereinrichtung
17 der Fig. 10. Komponenten mit gleichen Funktionen, wie in den vorhergehenden Figuren
werden mit gleichen Bezugszeichen gekennzeichnet und nicht extra erörtert. Dieser
Längsschnitt zeigt, dass die Triplettlinse ohne jede seitliche Abstützung an dem Mittelstück
4 auf dem ebenen Innenboden 16 des unteren strukturierten Stahlblockes 15 derartig
angeordnet ist, dass die Achse der Triplettlinse exakt zu der Strahlachse ausgerichtet
ist, ohne dass seitliche Stützhilfen zu dem Mittelstück 4 erforderlich sind.
Bezugszeichenliste
[0051]
- 1
- Driftröhrenbeschleuniger
- 2
- Gehäuse
- 3
- Vakuumtank
- 4
- Mittelstück
- 5
- untere Halbschale
- 6
- obere Halbschale
- 7
- Längsachse
- 8
- Eintrittsöffnung
- 9
- Austrittsöffnung
- 10
- Innenwand des Mittelstücks
- 11
- Längsrippe
- 12
- Längsnut
- 13
- Driftrohrhalter
- 14
- Driftrohrstück
- 15
- strukturierter unterer Stahlblock
- 16
- ebener Innenboden
- 17
- Fokussiereinrichtung
- 18
- Vakuumdurchführung
- 19
- strukturierter oberer Stahlblock
- 20
- innere Abdeckfläche
- 21
- Öffnungen in Abdeckfläche
- 22
- Vakuumflansch
- 23
- Strahlrichtung
- 24
- erster innerer Bereich
- 25
- zweiter innerer Bereich
- 26
- dritter innerer Bereich
- 27
- vierter innerer Bereich
- 28
- erste Triplettlinse
- 29
- zweite Triplettlinse
- 30
- dritte Triplettlinse
- 31
- Kühlwasserkanal in Längsrippe
- 32
- Außenflächen der Stahlblöcke
- 33
- Kühlwasserkanal in oberen und unteren Stahlblöcken
- 34
- Vakuumdurchführungen zu den Triplettlinsen
- 35
- Vakuumdurchführungen zu den Triplettlinsen
- 36
- Vakuumdurchführungen zu den Triplettlinsen
- 37
- Gehäuse der Triplettlinse
- 38
- Abstimmplatte
- a
- Mittenabstand zwischen Driftrohrstücken
1. Driftröhrenbeschleuniger zur Beschleunigung von Ionenpaketen in Ionenstrahlbeschleunigungsanlagen,
der folgende Merkmale aufweist:
- ein Gehäuse (2) aus einem längsgeteilten dreiteiligen Vakuumtank (3) mit:
- einem Mittelstück (4),
- einer unteren Halbschale (5), und
- einer oberen Halbschale (6),
wobei das Mittelstück (4) auf seiner ionenstrahlführenden Längsachse (7) eine Eintrittsöffnung
(8) und eine Austrittsöffnung (9) für die Ionenpakete aufweist, und wobei auf seiner
Innenwand (10) einander gegenüberliegende Längsrippen (11) angeordnet sind, die alternierend
angeordnete Driftrohrhalter (13) tragen, welche ihrerseits Driftrohrstücke (14) koaxial
zur ionenstrahlführenden Längsachse (7) halten, und wobei das Mittelstück (4) abnehmbar
auf der unteren Halbschale (5) montiert ist, und von der oberen Halbschale (6) abnehmbar
abgedeckt ist
dadurch gekennzeichnet, dass
die untere Halbschale (5) einen strukturierten Stahlblock (15) aufweist, der einen
teilweise ebenen Innenboden (16) besitzt, auf dem Vakuumdurchführungen (18) angeordnet
sind, und
die obere Halbschale (6) ebenfalls einen strukturierten Stahlblock (19) aufweist,
der eine teilweise ebene innere Abdeckfläche (20) mit Vakuumdurchführungen (18) aufweist,
so dass der Driftröhrenbeschleuniger aufgrund der strukturierten oberen (19) und unteren
(15) Stahlblöcke eine Eigenstabilität besitzt.
2. Driftröhrenbeschleuniger nach Anspruch 1,
dadurch gekennzeichnet, dass
der Vakuumtank (3) mindestens 2 innere Bereiche (24, 25) aufweist, in denen die Driftrohre
(14) mit alternierend angeordneten Driftrohrhaltern (13) angeordnet sind, wobei zwischen
den Bereichen jeweils ein spezielles Driftrohr enthaltend eine Fokussiereinrichtung
(17) zur transversalen Fokussierung der Ionenstrahlen stehend auf dem teilweise ebenen
Innenboden (16) des unteren strukturierten Stahlblockes (15) derart angeordnet ist,
daß es die Längsachse (7) des Mittelstücks (4) umschließt.
3. Driftröhrenbeschleuniger nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet, dass
als Fokussiereinrichtungen (17) Quadrupolmagnete enthalten sind, die als Singuletts
oder als Multipletts in den speziellen Driftrohren angeordnet sind.
4. Driftröhrenbeschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der strukturierte untere Stahlblock (15) oder der strukturierte obere Stahlblock (19)
oder der strukturierte untere und obere Stahlblock (15, 19) entlang der Fokussiereinrichtungen
(17) einen veränderten Querschnitt aufweisen als entlang der Bereiche, in denen die
Driftrohre (14) mit alternierend angeordneten Driftrohrhaltern (13) angeordnet sind.
5. Driftröhrenbeschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Driftrohre (14) mit alternierend angeordneten Driftrohrhaltern (13) mit in Strahlrichtung
zunehmenden Mittenabständen angeordnet sind.
6. Driftröhrenbeschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der strukturierte untere Stahlblock (15) oder der strukturierte obere Stahlblock (19)
oder der strukturierte untere und der obere Stahlblock (15, 19) Kavitäten aufweisen,
die den Querschnitt des Vakuumtanks (3) in bestimmten Abschnitten erweitern.
7. Driftröhrenbeschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der strukturierte untere Stahlblock (15) oder der strukturierte obere Stahlblock (19)
oder der strukturierte untere und der obere Stahlblock (15, 19) Kavitäten aufweisen,
die den Querschnitt des Vakuumtanks (3) in bestimmten Abschnitten stufenweise erweitern.
8. Driftröhrenbeschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
auf dem teilweise ebenen Innenboden (16) des strukturierten unteren Stahlblocks (15)
oder auf der teilweise ebenen inneren Abdeckfläche (20) des strukturierten oberen
Stahlblocks (19) oder auf dem teilweise ebenen Innenboden (16) des strukturierten
unteren Stahlblocks (15) und auf der teilweise ebenen inneren Abdeckfläche (20) des
strukturierten oberen Stahlblocks (19) zusätzliche Abstimmelemente (38) angeordnet
sind.
9. Driftröhrenbeschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die alternierend angeordneten Driftrohrhalter ((14)) (13) in Längsnuten (12) parallel
zur Längsachse (7) in den Längsrippen (11) des Mittelstücks (4) geführt werden.
10. Driftröhrenbeschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
die Längsrippen (11) in Längsrichtung einen Kühlwasserkanal (31) aufweisen.
11. Driftröhrenbeschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
das Mittelstück (4) in den Stirnseiten weitere Kühlwasserkanäle aufweist.
12. Driftröhrenbeschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der strukturierte untere und der obere Stahlblock (15, 19) Kühlwasserführungen (33),
die auf ihren Außenflächen (32) angeordnet sind, aufweisen.
13. Driftröhrenbeschleuniger nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, dass
der strukturierte untere und der obere Stahlblock (15, 19) Mindestwandstärken von
10 mm aufweisen.
1. A drift tube accelerator for ion bunch acceleration in ion beam acceleration systems,
with the following features:
- a housing (2) comprising a longitudinally divided three-part vacuum tank (3), including:
- a central unit (4);
- a lower half-shell (5); and
- an upper half-shell (6);
wherein the central unit (4) has an inlet opening (8) and an outlet opening (9) for
the ion packets on its longitudinal axis (7) of ion beam guidance, and has longitudinal
ribs (11) arranged on its inner wall (10) opposite to one another, which hold alternately
arranged drift tube holders (13) which in turn hold drift tube portions (14) coaxially
with the longitudinal axis (7) of ion beam guidance, and wherein the central unit
(4) is removably mounted on the lower half-shell (5) and is removably covered by the
upper half-shell (6);
characterised in that
the lower half-shell (5) includes a structured steel block (15) having a partly flat
inner bottom (16) on which vacuum passages (18) are arranged; and
the upper half-shell (6) likewise includes a structured steel block (19) which has
a partly flat inner covering surface (20) including vacuum passages (18);
so that due to the structured upper (19) and lower (15) steel blocks the drift tube
accelerator has inherent stability.
2. The drift tube accelerator according to claim 1, characterised in that the vacuum tank (3) has at least 2 inner regions (24, 25) in which the drift tubes
(14) with alternately arranged drift tube holders (13) are arranged, wherein between
the regions a respective special drift tube is arranged in each case so as to surround
the longitudinal axis (7) of the central unit (4), said special drift tube including
focussing means (17) for transverse ion beam focussing and standing on the partly
flat inner bottom (16) of the lower structured steel block (15).
3. The drift tube accelerator according to claim 2, characterised in that quadrupole magnets are provided as focussing means (17), which are arranged in the
special drift tubes in the form of singlets or multiplets.
4. The drift tube accelerator according to any of the preceding claims, characterised in that the structured lower steel block (15) or the structured upper steel block (19) or
the structured lower and upper steel blocks (15, 19) have a modified cross section
along the focussing means (17) compared to the regions in which the drift tubes (14)
with alternately arranged drift tube holders (13) are arranged.
5. The drift tube accelerator according to any of the preceding claims, characterised in that the drift tubes (14) with alternately arranged drift tube holders (13) are arranged
with centre-to-centre spacings increasing in the beam direction.
6. The drift tube accelerator according to any of the preceding claims, characterised in that the structured lower steel block (15) or the structured upper steel block (19) or
the structured upper and lower steel blocks (15, 19) have cavities expanding the cross
section of the vacuum tank (3) in certain sections.
7. The drift tube accelerator according to any of the preceding claims, characterised in that the structured lower steel block (15) or the structured upper steel block (19) or
the structured lower and upper steel blocks (15, 19) have cavities expanding the cross
section of the vacuum tank (3) in certain sections in stepwise manner.
8. The drift tube accelerator according to any of the preceding claims, characterised in that additional tuning elements (38) are arranged on the partly flat inner bottom (16)
of the structured lower steel block (15) or on the partly flat inner covering surface
(20) of the structured upper steel block (19) or on the partly flat inner bottom (16)
of the structured lower steel block (15) and on the partly flat inner covering surface
(20) of the structured upper steel block (19).
9. The drift tube accelerator according to any of the preceding claims, characterised in that the alternately arranged drift tube holders ((14))(13) are guided in longitudinal
grooves (12) in parallel to the longitudinal axis (7) in the longitudinal ribs (11)
of the central unit (4).
10. The drift tube accelerator according to any of the preceding claims, characterised in that the longitudinal ribs (11) have a cooling water channel (31) along the longitudinal
direction thereof.
11. The drift tube accelerator according to any of the preceding claims, characterised in that the central unit (4) has further cooling water channels in the end faces thereof.
12. The drift tube accelerator according to any of the preceding claims, characterised in that the structured lower and upper steel blocks (15, 19) have cooling water ducts (33)
arranged on the external surfaces (32) thereof.
13. The drift tube accelerator according to any of the preceding claims, characterised in that the structured lower and upper steel blocks (15, 19) have minimum wall thicknesses
of 10 mm.
1. Accélérateur à tubes de glissement pour l'accélération de paquets d'ions dans des
installations d'accélération de faisceaux d'ions, qui présente les caractéristiques
suivantes:
- un boîtier (2) composé d'une enceinte à vide (3) en trois parties, divisée dans
le sens de la longueur, comprenant:
- une partie centrale (4),
- une demi-coque inférieure (5), et
- une demi-coque supérieure (6),
la partie centrale (4) présentant, sur son axe longitudinal (7) guidant les faisceaux
d'ions, une ouverture d'entrée (8) et une ouverture de sortie (9) pour les paquets
d'ions ; et des nervures longitudinales (11), mutuellement en vis-à-vis, étant disposées
sur sa paroi intérieure (10), nervures qui portent des supports de tube de glissement
(13) disposés en alternance, lesquels portent à leur tour des tronçons de tube de
glissement (14) de façon coaxiale avec l'axe longitudinal (7) guidant les faisceaux
d'ions ; et la partie centrale (4) étant montée de façon amovible sur la demi-coque
inférieure (5) et étant recouverte de façon amovible par la demi-coque supérieure
(6),
caractérisé en ce que la demi-coque inférieure (5) présente un bloc d'acier (15) structuré qui comporte
un fond intérieur (16) partiellement plan, sur lequel sont disposés des passages de
vide (18), et la demi-coque supérieure (6) présente également un bloc d'acier (19)
structuré qui présente une surface de recouvrement interne (20) partiellement plane,
dotée de passages de vide (18), de sorte que, en raison des blocs d'acier supérieur
(19) et inférieur (15) structurés, l'accélérateur à tubes de glissement possède une
stabilité propre.
2. Accélérateur à tubes de glissement selon la revendication 1, caractérisé en ce que l'enceinte à vide (3) présente au moins deux zones internes (24, 25) dans lesquelles
sont disposés les tubes de glissement (14), avec des supports de tube de glissement
(14) disposés en alternance, un tube de glissement spécial, contenant un dispositif
de focalisation (17) pour la focalisation transversale des faisceaux d'ions, étant
disposé respectivement entre les zones, posé sur le fond intérieur (16) partiellement
plan du bloc d'acier inférieur (15) structuré, de manière à ce qu'il entoure l'axe
longitudinal (7) de la partie centrale (4).
3. Accélérateur à tubes de glissement selon la revendication 2, caractérisé en ce que sont contenus en tant que dispositifs de focalisation (17), des aimants quadripolaires
qui sont disposés en tant que singulets ou en tant que multiplets dans les tubes de
glissement spéciaux.
4. Accélérateur à tubes de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bloc d'acier inférieur (15) structuré ou le bloc d'acier supérieur (19) structuré
ou les blocs d'acier inférieur et supérieur (15, 19) structurés présentent, le long
des dispositifs de focalisation (17), une section transversale différente de celle
le long des zones dans lesquelles les tubes de glissement (14) sont disposés avec
des supports de tube de glissement (13) installés en alternance.
5. Accélérateur à tubes de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les tubes de glissement (14) sont disposés avec des supports de tube de glissement
(13) montés en alternance, avec des distances de centre à centre qui augmentent dans
la direction du faisceau.
6. Accélérateur à tubes de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bloc d'acier inférieur (15) structuré ou le bloc d'acier supérieur (19) structuré
ou les blocs d'acier inférieur et supérieur (15, 19) structurés présentent des cavités
qui élargissent la section transversale de l'enceinte à vide (3) dans certaines portions.
7. Accélérateur à tubes de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que le bloc d'acier inférieur (15) structuré ou le bloc d'acier supérieur (19) structuré
ou les blocs d'acier inférieur et supérieur (15, 19) structurés présentent des cavités
qui élargissent la section transversale de l'enceinte à vide (3) graduellement dans
certaines portions.
8. Accélérateur à tubes de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que des éléments d'accord (38) supplémentaires dont disposés sur le fond intérieur partiellement
plan du bloc d'acier inférieur (15) structuré ou sur la surface de recouvrement (20)
interne partiellement plane du bloc d'acier supérieur (19) structuré ou sur le fond
intérieur partiellement plan du bloc d'acier inférieur (15) structuré et sur la surface
de recouvrement (20) interne partiellement plane du bloc d'acier supérieur (19) structuré.
9. Accélérateur à tubes de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les supports de tube de glissement ((14)) (13) disposés en alternance sont guidés
dans des rainures longitudinales (12), parallèlement à l'axe longitudinal (7), dans
les nervures longitudinales (11) de la partie centrale (4).
10. Accélérateur à tubes de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les nervures longitudinales (11) présentent un conduit d'eau de refroidissement (31)
dans le sens longitudinal.
11. Accélérateur à tubes de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que la partie centrale (4) présente des conduits d'eau de refroidissement supplémentaires
dans les faces frontales.
12. Accélérateur à tubes de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les blocs d'acier inférieur et supérieur (15, 19) structurés présentent des passages
d'eau de refroidissement (33) qui sont disposés sur leurs faces extérieures (32).
13. Accélérateur à tubes de glissement selon l'une des revendications précédentes, caractérisé en ce que les blocs d'acier inférieur et supérieur (15, 19) structurés présentent des épaisseurs
de paroi minimales de 10 mm.